【趣学公基】第一宇宙速度知多少

发布于 2022-06-03 20:54

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提到第一宇宙速度想必大家都不会陌生吧，好像在哪里见过听过，但就是想起不起来，那他到底是什么呢。

一、第一宇宙速度的概念
第一宇宙速度是指物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，也有别名航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、环绕速度。通俗一点的来讲就是说如果你想要把一个物体送出地球，他至少需要达到的速度就是第一宇宙速度。
二、第一宇宙速度的来源
最早提出这个概念的人是牛顿(牛顿当时称之为环绕速度)，当时的牛顿能提出这个概念也是源于他细心观察生活的特点，他发现大炮发射出去的炮弹总会落地，而炮弹落地的距离和大炮的威力相关，大炮威力越大，落地距离越远，所以牛顿在想因为地球是圆的，如果在山上架一门大炮威力足够大的时候，是不是就可以让炮弹绕着地球旋转一直不落地?这就是著名的牛顿大炮的故事，而这其中提到保持炮弹不落地的出射速度就是第一宇宙速度。
三、第一宇宙速度是怎么算出来的呢
我们当时上中学学到这个知识的时候只记得第一宇宙速度是7.9km/s，但这个数据是怎么算出来的呢?这个就要用到我们的两个公式了，一个是万有引力公式，一个是向心力公式。第一个万有引力公式想必大家并不陌生，这个是由著名的物理学家牛顿提出来的，公式为F=GMm/r2， 其中M、m分别代表两个不同的物体的质量，r代表两个物体之间的距离，G为万有引力常量(小贴士：万有引力公式虽然是牛顿提出来的，但是万有引力常量G却是一个叫做卡文迪许的科学家算出来的)，这个公式想要阐明的道理其实就是任何两个物体之间都存在着相互引力，而这个引力大小和两个物体的质量大小和物体间的距离有关，两个物体的质量越重相互引力就越大，两个物体之间的距离越远则相互引力越小。举个例子一个正常人类在地球上原地跳高一般能跳0.5米，但是如果这个人他跑到了月球上他就可以跳3米高，这个原因主要就是因为地球的质量比月球大得多。了解完万有引力我们再来看看向心力，向心力其实就是一种维持物体做圆周运动的力，举个例子小的时候我们玩的溜溜球，如果我拿着绳子的一端甩动溜溜球做圆周运动的时候突然松开手，溜溜球就会直接飞出去，而你手上拿住绳子不让球飞出去的力就是向心力，而向心力的计算公式的表达有两种，这里我们只讨论其中一种即F=mv2/r，从公式不难看出向心力的大小其实跟物体的质量运动速度运动半径都有关。
那以上两个公式到底和我们今天要讲述的第一宇宙速度有什么关系呢，我们刚刚讲万有引力公式说的是任意两个物体都存在相互引力，而向心力说的是物体要做圆周运动就必须有一个向中心的力，那如果我们想让物体绕着地球表面做圆周运动既不下落又不逃离地球的引力束缚，换一个角度来讲其实就是让物体受到的地球引力充当向心力(注意哦这里是重点)，所以我们可以得出一个公式：
F=GMm/r2 =mv2/r
运用万有引力常数G，地球的质量M，地球半径r，可得出v≈7.9km/s。



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